紫外线灯在矿物及宝石的检验和应用

［关键词］ 激活剂；施主能级；受主能级；磷光体；陷井；光量子；跃迁

自然界中在外场作用下能发光的矿物为数甚多，但在宝石中却很少。矿物的发光性是矿物物理学研究的内容之一，也是矿物学对某些矿物鉴定、鉴别的一种手段。从20世纪60年代开始矿物的热发光性能受到地质界人士的日益重视，试图解决矿物、岩石的地质年龄、岩相古地理、沉积环境、地层对比选矿找矿等。笔者仅就宝石矿物发光性机理及对宝石矿物的鉴定、鉴别和应用进行初步讨论。

在外场作用下发光的宝石矿物

矿物发光的概念
矿物在加热、加压、溶解以及各种光辐射能产生可见光的现象称之为矿物的发光。发光可分为磷光和荧光，在外场持继作用下发光的称为荧光，去掉外场作用后仍在发光的称为磷光。

发光宝石矿物及其成分特征
为了说明宝石矿物的发光机理和应用，现以下述矿物的成分特征和发光特点分述如下：综合所述，所有具有荧光的宝石矿物都含有不等量的阴、阳离子类质同象组分，这些类质同象组分与主要阴阳离子的电价不同，这就必然产生晶格中的电价不平衡，或者产生各类空穴或电子心，导致形或施主（Donor）受主（host）能级，这些能级的形成导致宝石矿物的发光。

宝石矿物发光机理和模型
矿物的发光性日益受到各界科技人员的重视，但是对矿物（宝石）发光机理的研究还不够深入，所构制的物理模型还不能完全适合天然矿物的复杂性。一些学者所建立的发光模型也不尽相同，然而较为统一的认识是在发光体中赋存有激活剂原子（异价类质同象）和由此产生的晶体缺陷而导致矿物发光，是大多数学者所公认的。

（=）晶体缺陷的存在是矿物发光的理论基础，纵观这些发光的矿物（宝石）都具有阴、阳离子不等价的类质同象现象。晶格中这些异价类质同象称为发光体的激活剂，按照基质，激活剂次序标记磷光体（也即发光体），例如磷光体闪锌矿标记为zns、cu，zns为基质，cu为激活剂。磷光体除了必须含有激活剂之外，还有的含有助溶剂或称共同激活剂，共同激活剂对于发光本身无作用，它有助于激活剂和基质的联系，即有助于激活剂进入晶格。

（!）能带理论与矿物发光模型：能带理论为矿物发光动力学理论奠定了基础。能带理论认为宝石矿物基质中的阳离子所形成的能量带在导带内；阴离子所形成的能量带位于低能量的价带，在导带与价带之间是没有能级存在的，导带与价带之间的万方数据表! 一些宝石矿物的成分特征及发光模型在DE 紫外光下，浅褐色和粉红色黄玉是橙—黄色；蓝色和无色黄玉有时可呈弱的绿黄色。在短波紫外光下，呈明显的浅绿色荧光


距离称为带隙宽度（也称禁带）。宝石矿物均为透明矿物，属绝缘体，带隙宽度在%4*以上。如果这些矿物不含任何异价类质同象物质，这些矿物均是透明而不发光的，但是如果这些矿物含有异价类质同象（也可称为激活剂）后，破坏了基质晶格的均一性产生晶体缺陷，晶体中出现电子心———空穴心，这些心对基质晶格能级的影响便在导带下面形成一新的能阶称为施主能级；在价带顶部形成受主能级。
电子受激发吸收能量（也可称光量子）可以使电子由低能级向高能级跃迁；反之电子由高能级向低能级跃迁会释放光量子（放出能量）而发光。由于宝石矿物均为绝缘体，带隙宽度在%4*以上，电子无法从导带向价带跃迁而放出光量子（发光），如在导带下部能形成一个低于导带能级，这个能级能捕获来自导带的电子（也可称这个能级为施主能级或陷井），这时在外场作用下陷井中的电子可以向低能级受主能级或价带跃迁放出光量子而发光。这就是能带理论为基础的发光模型。

下面再以钻石为例说明其发光原理，钻石学名是金刚石，其主要成分是单质!"#，为本征半导体不导电，但是天然产出的金刚石均含有少量的$%#和-.%#等异价类质同象，$(-.形成了施主—受主杂质产生施主—受主能级由$%#的含量不同以及在晶第%期杨吉：矿物及宝石的发光机理和应用"7
体结构中的占位不同所产生的施主—受主能级间的跃迁矩也不同，因而在紫外线灯作用下，有的发蓝色、有的发黄色等荧光。
图! 在禁带中具有施主—受主级参加的跃迁略图

 场致发光的应用
矿物（宝石）的场致发光目前涉及面甚广，所使用的外场有加热、加压、溶解、紫外光、阴极射线和其他短波幅射等等。文中仅就宝石矿物的发光应用方面做一简单介绍。
（1）对于具有固定发光特征的宝石做为鉴别特征，常用这一特征进行鉴定区分宝石。
（2）对于相同种类不同成因的宝石矿物，在阴极射线轰击下会发出不同颜色或不同强度的荧光，以区分不同成因的宝石，还可区分真假宝石。
（3）鉴别同种宝石的不同类型：如钻石为1型钻石在紫外线灯照射下发蓝色—浅蓝色为主的荧光，而2型钻石发黄色—黄绿色荧光。
（4）利用宝石的荧光特点区分同种宝石的物理性质，如钻石在同等强度的紫外线灯照射下不发荧光的钻石*硬；发黄色荧光居中；发淡蓝色荧光的钻石*不硬。
（5）在其他领域中利用矿物、岩石的热发光性确定地质年龄。
（6）利用岩石、矿物的热发光性对沉积环境和岩相古地理及地层进行对比。